Trung tâm của LTE là ý tƣởng của kỹ thuật đa anten, đƣợc sử dụng để tăng vùng phủ sóng và khả năng của lớp vật lý [6]. Các chế độ, bao gồm:
- Đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO): Chế độ truy nhập kênh vô tuyến đơn giản nhất là đơn đầu vào đơn đầu ra SISO, trong đó chỉ có một anten phát và một anten thu đƣợc sử dụng. Đây là hình thức truyền thống mặc định kể từ khi truyền vô tuyến bắt đầu và nó là cơ sở để dựa vào đó tất cả các kỹ thuật đa anten đƣợc so sánh.
- Đơn đầu vào đa đầu ra (SIMO): Chế độ này sử dụng một máy phát và hai hoặc nhiều máy thu. SIMO thƣờng đƣợc gọi là phân tập thu. Chế độ truy nhập kênh vô tuyến này đặc biệt thích hợp cho các điều kiện tín hiệu nhiễu SNR thấp. Trong đó có một đội lợi lý thuyết có thể đạt đƣợc là 3dB khi hai máy thu đƣợc sử dụng, khong có thay đổi về tốc độ dữ liệu khi chỉ có một dòng dữ liệu đƣợc truyền, nhƣng vùng phủ sóng ở biên đƣợc cải thiện do sự giảm của SNR.
- Đa đầu vào đơn đầu ra (MISO): Chế độ này sử dụng từ 2 máy phát và một máy thu. MISO thƣờng đƣợc gọi là phân tập phát. Cùng một dữ liệu đƣợc gửi trên
cả hai anten phát nhƣng với chế độ mã hóa nên máy thu chỉ có thể nhận biết từng máy phát. Phân tập phát làm tăng mạnh tín hiệu bị phading và có thể làm tăng hiệu suất trong những điều kiện SNR thấp. MISO không làm tăng tốc độ dữ liệu nhƣng nó hỗ trợ các tốc độ dữ liệu tƣơng tự nhau bằng cách sử dụng ít năng lƣợng hơn.
- Đa đầu vào đa đầu ra (MIMO): Đây là chế độ truyền đầy đủ, yêu cầu từ 2 máy phát và từ 2 máy thu. MIMO làm tăng công suát phổ bằng cách phát nhiều luồng dữ liệu cùng một lúc trong cùng một tần số và thời gian, tận dụng đầy đủ các lợi thế của các đƣờng dẫn khác nhau trong kênh vô tuyến. Đối với một hệ thống đƣợc mô tả nhƣ MIMO, nó phải có ít nhất là nhiều máy thu với nhiều luồng phát. Số lƣợng các luồng phát không đƣợc nhầm lẫn với số lƣợng các anten phát.
Hiện nay, tính năng mới của LTE-Advanced là kỹ thuật cộng gộp sóng mang, kỹ thuật MIMO với 8 cặp anten tải xuống và 4 cặp anten tải lên, kỹ thuật truyền chuyển tiếp, kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cƣờng giữa các tế bào, kỹ thuật phối hợp đa điểm.
Cộng gộp sóng mang (carrier aggregation)
Việc cộng gộp sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của LTE-A phiên bản 10 để tăng tổng băng thông có sẵn cho một thiết bị di động và do đó đạt đƣợc tốc độ bit tối đa. Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần CC (Component Carrier), sóng mang thành phần có thể có băng thông 1; 4; 3; 5; 10; 15MHz hoặc 20 MHz. Trong LTE, thông thƣờng chỉ có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền kề có độ rộng tối đa là 20MHz. Còn trong LTE-A, công nghệ cộng gộp sóng mang cho phép kết hợp những kênh nhỏ hay còn gọi là sóng mang trên các băng tần khác nhau, tách biệt thành ―một kênh cực lớn‖, do đó về cơ bản có thể tăng tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi khách hàng lên nhiều lần. Chuẩn LTE-Advanced cho phép nhà mạng kết hợp tối đa năm sóng mang với băng thông 20MHz thành một kênh có băng thông 100MHz cao gấp năm lần băng thông của LTE thông thƣờng.
Hình 2.10: Cộng gộp sóng mang (carrier aggregation)
Kỹ thuật đa đầu vào, đa đầu ra MIMO (Multiple Input, Multiple Output)
MIMO cho phép các trạm thu phát và các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu bằng nhiều anten. LTE có hỗ trợ phần nào MIMO nhƣng chỉ cho chiều tải xuống. Ngoài ra chuẩn này còn giới hạn số lƣợng anten ở mức tối đa là bốn bộ phát ở phía trạm thu phát và bốn bộ thu ở thiết bị di động. LTE-Advanced thì cho phép tối đa tám cặp thu phát ở chiều tải xuống và bốn cặp ở chiều tải lên.
MIMO thực hiện hai chức năng:
- Ở môi trƣờng không dây khả năng xẩy ra can nhiễu cao nhƣ tại rìa các cellhoặc trong một ô tô đang di chuyển, các bộ phát và thu sẽ phối hợp với nhau để tậptrung tín hiệu vô tuyến vào một hƣớng cụ thể. Chức năng tạo búp sóng (beamforming) này giúp cho tín hiệu thu đƣợc mạnh lên mà không cần phải tăng công suất phát.
- Khi cƣờng độ tín hiệu mong muốn mạnh còn tín hiệu nhiễu yếu, nhƣ khi ngƣời dùng đứng yên và ở gần trạm phát thì MIMO có thể đƣợc dùng để làm tăng tốc độ dữ liệu hay tăng số lƣợng ngƣời dùng mà không phải dùng thêm phổ tần số. Kỹ thuật này có tên là ―ghép kênh không gian‖ (spatial multiplexing) giúp nhiều luồng dữ liệu đƣợc truyền đi cùng lúc, trên cùng tần số sóng mang. Ví dụ, một trạm thu phát với tám bộ phát có thể truyền đồng thời tám luồng tín hiệu tới một máy điện thoại có tám bộ thu. Do mỗi luồng dữ liệu tới mỗi bộ thu có hƣớng, cƣờng độ và thời gian hơi khác nhau một chút nên các thuật toán xử lý trong máy có thể kết
hợp chúng với nhau và dựa vào những khác biệt này để tìm ra các luồng dữ liệu gốc. Thông thƣờng thì ghép kênh theo không gian có thể làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ thuận với số cặp anten thu phát. Do vậy, trong trƣờng hợp khả quan nhất, tám cặp thu phát có thể tăng tốc độ dữ liệu lên khoảng tám lần.
C ng nghệ truyền chuyển ti p (relaying)
Công nghệ truyền nối tiếp đƣợc dùng để mở rộng vùng phủ sóng tới những nơi có tín hiệu yếu. Thông thƣờng các bộ truyền nối tiếp hay còn gọi là bộ lặp lại khá đơn giản, chúng nhận tín hiệu, khuyếch đại, rồi truyền đi. LTE-Advanced hỗ trợ các chế độ truyền nối tiếp tiên tiến hơn. Trƣớc tiên nó sẽ giải mã tất cả các dữ liệu thu đƣợc rồi sau đó chỉ chuyển đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động mà mỗi bộ truyền nối tiếp đang phục vụ. Phƣơng pháp này giúp giảm can nhiễu và tăng số lƣợng máy di động kết nối tới bộ truyền nối tiếp. LTE-Advanced còn cho phép các bộ truyền nối tiếp dùng cùng phổ tần số và các giao thức của trạm thu phát để liên lạc với trạm thu phát và với các thiết bị đầu cuối. Lợi thế của việc này là nó cho phép các máy LTE kết nối tới bộ truyền nối tiếp nhƣ thể đó là một trạm thu phát thông thƣờng. Bộ truyền nối tiếp sẽ chỉ phát sóng vào những thời điểm cụ thể khi mà trạm thu phát không hoạt động để tránh gây nhiễu cho trạm thu phát. Dƣới đây là hình vẽ nút chuyển tiếp (Relay node) dùng để mở rộng phủ sóng và đƣợc kết nối với nút chủ gọi là Donor cell qua giao diện vô tuyến (Backhaul link).
Hình 2.11: Minh họa về công nghệ truyền chuyển tiếp
Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cường giữa các t bào eICIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination)
Kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu tăng cƣờng giữa các tế bào đƣợc sử dụng trong các hệ thống mạng phức hợp (Heterogeneous network) giúp giải quyết hiện tƣợng nghẽn mạng. Trong mạng này, các trạm thu phát công suất thấp sẽ tạo ra các cell nhỏ (small cell) nằm chồng lên mạng lƣới các cell lớn (macro cell) do các trạm thu phát thông thƣờng có công suất lớn tạo ra. Các trạm thu phát nhỏ với nhiều mức kích cỡ (còn đƣợc gọi bằng các tên metro-, micro-, pico-, hay femtocell) để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng nóng (hots pot) nhƣ vùng đô thị đông đúc. Những bộ thu phát này có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng kềnh và lắp đặt dễ dàng. Nhƣng khi các nhà mạng đặt ngày càng nhiều trạm thu phát vào cùng một khu vực, họ sẽ phải tìm cách để giảm thiểu can nhiễu khó tránh khỏi giữa chúng.
Kỹ thuật phối hợp đa điểm CoMP (Coordinated MultiPoint)
Về cơ bản, phối hợp đa điểm cho phép một thiết bị di động cùng một lúc trao đổi dữ liệu với nhiều trạm thu phát. Kỹ thuật này sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi mà có thể khó có đƣợc một kết nối tốt. Ví dụ nhƣ hai trạm thu phát liền kề có thể cùng lúc gửi dữ liệu giống nhau tới một thiết bị do đó tăng khả năng nhận đƣợc tín hiệu tốt của thiết bị đó. Tƣơng tự nhƣ vậy, một thiết bị cũng có thể cùng một lúc tải dữ liệu lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò nhƣ một mảng anten ảo sẽ cùng nhau xử lý tín hiệu thu đƣợc để loại bỏ lỗi. Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lƣợng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm thu phát lớn hơn.
Hiện nay, LTE-A tiếp tục phát triển, áp dụng các tính năng công nghệ của nó nhằm đáp ứng nhƣ cầu dịch vụ băng rộng ngày càng lớn. Phiên bản nâng cấp của LTE-Advanced đƣợc các nhà phát triển gọi là LTE-Advanced Pro với các tính năng công nghệ mới tiếp tục đƣợc nghiên cứu, áp dụng.
2.4.4. Mô hình đường xuống của LTE trong kịch bản đa ô
Kỹ thuật chuyển giao cũng nhƣ các thuật toán chuyển giao hay các quyết định chuyển giao đều đƣợc thực hiện tại mô hình đƣờng xuống của LTE trong kịch bản đa ô cho các ngƣời dùng di chuyển giữa các eNodeB. Hai thành phần có liên quan đến là: bộ xử lý chuyển giao và MME/Gateway .
Hệ thống truyền dẫn đƣờng xuống của LTE dựa trên kỹ thuật OFDM. Đây là một hệ thống truyền dẫn đƣờng dẫn đƣờng xuống hấp dẫn với nhiều lý do. Vì thời gian ký tự OFDM tƣơng đối dài trong việc kết hợp với một tiền tố chu trình, nên OFDM cung cấp đủ độ mạnh để chống lại sự lựa chọn tần số kênh (channel frequency selectivity). Kỹ thuật truyền OFDM có thể đƣợc xem nhƣ là một loại của truyền đa sóng mang. Một số đặc điểm cơ bản của OFDM là:
- Sử dụng một lƣợng tƣơng đối lớn các sóng mang con băng hẹp. Truyền OFDM sử dụng vài trăm sóng mang con đƣợc truyền trên cùng một liên kết vô tuyến đến cùng một máy thu.
- Dạng xung hình chữ nhật đơn giản đáp ứng phổ dạng sinc-square ở mỗi sóng mang.
- Các sóng mang con đƣợc sắp xếp chặt chẽ trên miền tần số với khoảng cách giữa các sóng mang con Δf=1/Tu, Tu là thời gian điều chế symbol trên mỗi sóng.
Bên cạnh đó, MME là nút điều khiển các node xử lí tín hiệu giữa UE và CN. Giao thức giữa UE và CN là Non-Access Stratum (NAS).
Chức năng chính của MME đƣợc phân loại nhƣ sau :
- Các chức năng liên quan đến quản lí thông báo: Chức năng này bao gồm thiết lập, duy trì và gởi đi các thông báo và đƣợc điều khiển bởi lớp quản lí phiên trong giao thức NAS.
- Các chức năng liên quan đến quản lí kết nối: Bao gồm việc kết nối và bảo mật giữa mạng và UE đƣợc điều khiển bởi lớp quản lí tính di động hoặc kết nối trong giao thức NAS.
Các thủ tục lớp không truy cập NAS (Non-Acess Stratum): Các thủ tục NAS là các thủ tục quản lí kết nối đặc biệt, về cơ bản giống với UMTS. Sự khác biệt chính với UMTS là EPS cho phép ghép nối nhiều thủ tục để sự thiết lập của các kết nối và thông báo nhanh hơn. Có thể thấy rằng, trong mạng SAE, MME cung cấp một mực độ đáng kể về chức năng điều khiển tổng thể.
2.5. Kết luận chƣơng
Chƣơng 2 đã khái quát đƣợc cấu trúc mạng 4G, các đặc tính kỹ thuật cũng nhƣ giới thiệu về khái niệm, mục đích và trình tự chuyển giao trong mạng 4G. Ngoài ra còn khái quát hóa đƣợc mô hình đa ô (mô hình chính đƣợc sử dụng để xét chuyển giao).
Mạng 4G có ƣu điểm vƣợt trội so với 3G về tốc độ, thời gian trễ nhỏ, hiệu suất sử dụng phổ cao cùng với việc sử dụng băng thông linh hoạt, cấu trúc đơn giản nên giảm đƣợc giá thành. Để tạo nên các ƣu điểm đó, là nhờ việc sử dụng kỹ thuật OFDMA ở đƣờng xuống. Các sóng mang trực giao với nhau, do đó tiết kiệm băng thông, tăng hiệu suất sử dụng phổ tần và giảm nhiễu ISI. Bên cạnh các ƣu điểm đó thì OFDM có khuyết điểm là sự thăng giáng đƣờng bao lớn dẫn đến PAPR lớn, khi PAPR lớn thì đòi hỏi các bộ khuếch đại công suất tuyến tính cao để tránh làm méo dạng tín hiệu, hiệu suất sử dụng công suất thấp vì thế đặc biệt ảnh hƣởng đến các thiết bị cầm tay.
Cùng với các kỹ thuật trên LTE còn hỗ trợ MIMO, MIMO là một phần tất yếu của LTE để đạt yêu cầu về thông lƣợng và hiệu quả sử dụng phổ.
Từ việc khái quát công nghệ LTE, các đặc tính kỹ thuật là tiền đề để tiến hành thiết kế và quy hoạch mạng trong chƣơng tiếp theo.
CHƢƠNG 3. QUY HOẠCH, TỐI ƢU MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G VINAPHONE TẠI BẮC NINH
3.1. Khái quát về tình hình chính trị, kinh tế và xã hội của tỉnh Bắc Ninh
Bắc Ninh là một tỉnh nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc, cách trung tâm thủ đô Hà Nội khoảng 30km, cách sân bay Quốc tế Nội Bài 45km, cách cảng biển Hải Phòng 110km, là đầu mối quan trọng giữa Hà Nội với các tỉnh phía Bắc, nằm trên hành lang kinh tế Việt – Trung và trong tam giác tăng trƣởng Hà Nội – Hải Phòng – Quảng Ninh. Bắc Ninh có thế mạnh về hệ thống giao thông đồng bộ và thông suốt với rất nhiều trục giao thông lớn chạy qua bao gồm: QL1A, QL1B mới, QL18, QL38, đƣờng cao tốc đi sân bay Quốc tế Nội Bài, có tuyến đƣờng sắt xuyên Việt đi Trung Quốc, các tuyến đƣờng thủy dọc sông Cầu, sông Đuống, sông Thái Bình,... giúp Bắc Ninh dễ dàng kết nối với các trung tâm kinh tế, văn hóa, chính trị và thƣơng mại phía Bắc, có nhiều điều kiện thuận lợi để phát triển về kinh tế - xã hội và khai thác các tiềm năng hiện có của tỉnh [14].
Với diện tích 822,7 km2, dân số 1.368.840 ngƣời, mật độ dân số 1,664 ngƣời/km². Tỉnh có 8 đơn vị hành chính, bao gồm: Thành phố Bắc Ninh, thị xã Từ Sơn và 6 huyện: Tiên Du, Yên Phong, Thuận Thành, Quế Võ, Gia Bình và Lƣơng Tài với 126 đơn vị hành chính cấp xã, trong đó có 94 xã, 26 phƣờng và 6 thị trấn.
Những bƣớc phát triển vƣợt bậc của Bắc Ninh sau hơn 23 năm tái lập đƣợc khẳng định trên tất cả các lĩnh vực. Nổi bật nhất là Quy mô nền kinh tế đạt trên 197 nghìn tỷ đồng, xếp thứ 7 cả nƣớc; giá trị sản xuất công nghiệp đạt 1,24 triệu tỷ, đứng thứ nhất toàn quốc; giá trị xuất khẩu đạt hơn 35 tỷ USD; Nếu nhƣ tại thời điểm tái lập tỉnh năm 1997, tỉnh chỉ có 4 dự án có vốn đầu tƣ trực tiếp nƣớc ngoài với tổng vốn đầu tƣ đăng ký 177,58 triệu USD, thì đến hết năm 2019, Bắc Ninh đã thu hút 1470 dự án FDI với tổng vốn đầu tƣ đăng ký sau điều chỉnh: 18.83 tỷ USD. Nhiều tập đoàn xuyên quốc gia lớn trên thế giới đã vào đầu tƣ tại Bắc Ninh nhƣ: Samsung, Hồng Hải, Canon, Pepsi Co,...Thu ngân sách của tỉnh tăng cao, đạt 30.430 tỷ đồng, vƣợt 11% dự toán, trong đó thu nội địa đạt 24.370 tỷ đồng, vƣợt 3.034 tỷ đồng. Các vấn đề an sinh và phúc lợi xã hội của tỉnh đƣợc đảm bảo, quan tâm ở mức cao hơn so với cả nƣớc, thu nhập bình quân đầu ngƣời đạt 6.163 USD, cao gấp 2,23 lần so với bình quân cả nƣớc và đứng thứ 2 toàn quốc, tỷ lệ hộ nghèo giảm còn 1,27%; thiết chế văn hóa thể thao khu công nghiệp đƣợc quan tâm; phong trào xây dựng nông thôn mới đạt nhiều kết quả, đến nay đã có 96/97 xã và 7/8 đơn vị cấp huyện đạt chuẩn nông thôn mới.
Đánh giá quá trình phát triển, những thành tựu đạt đƣợc sau hơn 20 năm tái